土木工程中碳纖維復(fù)合材料的運(yùn)用研究

葛 自 力

（河南金苑置業(yè)有限公司， 河南 鄭州 450007）

土木工程中碳纖維復(fù)合材料的運(yùn)用研究

葛 自 力

（河南金苑置業(yè)有限公司， 河南 鄭州 450007）

碳纖維復(fù)合材料是隨著纖維增強(qiáng)材料的一個(gè)重要組成部分，碳纖維復(fù)合材料對(duì)于結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固十分有效，其施工質(zhì)量高，施工效率高，加固效果和綜合效益好，具有輕質(zhì)高強(qiáng)、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)的特點(diǎn)。因此，對(duì)碳纖維復(fù)合材料的研究和探索,一直是土木工程中關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容。

土木工程；碳纖維；復(fù)合材料；運(yùn)用

近幾年隨著我國(guó)基礎(chǔ)投資規(guī)模增大和房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)的飛速發(fā)展，我國(guó)的土木工程建設(shè)規(guī)模和數(shù)量進(jìn)一步增加，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)得到大量的應(yīng)用，混凝土是我國(guó)目前用量最大的人造材料，也是最重要的建筑材料之一。隨著時(shí)間的推移，人們發(fā)現(xiàn)混凝土并不是永固的，自澆灌成型開(kāi)始，由于受到外部環(huán)境溫度、濕度、混凝土碳化、空氣中氯離子等影響，混凝土中的鋼筋就會(huì)受到多方面的腐蝕破壞，主要有碳化、堿-集料反應(yīng)、凍害和鹽害，使鋼筋受腐蝕損害，剛度、強(qiáng)度減弱，造成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的降低。目前，鋼筋銹蝕引起混凝土結(jié)構(gòu)耐久性降低是土木工程中存在的主要問(wèn)題，為了保持和增加混凝土的耐久性，混凝土后期保養(yǎng)維護(hù)成本巨大，因此如何維持現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和發(fā)現(xiàn)在的材料替代鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是目前土木工程的研究熱點(diǎn)之一，隨著相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，各種型材料出現(xiàn)在土木工程中來(lái)，目前碳纖維復(fù)合材料在一些特使的工程中逐漸取代了傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，實(shí)踐中也取得了一定的應(yīng)用成果，因此本研究在前人研究的基礎(chǔ)上對(duì)碳纖維復(fù)合材料在土木工程中的運(yùn)用情況進(jìn)行研究分析，為進(jìn)一步使用碳纖維復(fù)合材料提供理論和是實(shí)踐指導(dǎo)。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 碳纖維概念及成分

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的一種，在具有纖維增強(qiáng)復(fù)合材料特性的基礎(chǔ)上還有自己帶的特征，目前研究理論表明，碳纖維的外在特征隨著含碳量隨種類不同而存在一定差異，但是作為碳纖維復(fù)合材料，除了具有本身的特點(diǎn)之外，一般具有耐高溫、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐腐蝕等，但碳纖維復(fù)合材料與一般碳素材料不同的是，碳纖維復(fù)合材料外形有顯著的各向異性，可根據(jù)工程需要加工成各種織物材料，滿足工程需要，而且織物表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度。土木工程方面碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重輕，抗拉強(qiáng)度大，研究認(rèn)為抗拉強(qiáng)度是鋼的7～9倍，因此碳纖維復(fù)合材料（CFRP）是土木工程中能提供特殊幫助的高效建材之一。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)碳纖維復(fù)合材料的研究起步比較早。結(jié)合研究需要成立了相應(yīng)的碳纖維復(fù)合材料研究協(xié)會(huì)，制訂了相應(yīng)的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)施規(guī)范、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、施工規(guī)程等，制訂了研究發(fā)展方向，加大經(jīng)碳纖維復(fù)合材料再實(shí)際中的應(yīng)用研究，經(jīng)過(guò)多年的研究，目前國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)有較為成熟的碳纖維復(fù)合材料理論、研究體系和研究成果，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)性應(yīng)用獲得了第一手資料，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)已經(jīng)有了一定的應(yīng)用實(shí)例。目前由于碳纖維復(fù)合材料特有的可根據(jù)工程需要加工成各種織物材料，滿足工程需要，而且織物表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度的特點(diǎn)，因此碳纖維復(fù)合材料大量應(yīng)用在房屋建筑工程的加固工程中、橋梁工程等的加固、維修和保養(yǎng)上。從研究現(xiàn)狀來(lái)看，我國(guó)對(duì)碳纖維復(fù)合材料的研究起步比較晚，缺少系統(tǒng)化、本土化的研究體系，主要理論和研究標(biāo)準(zhǔn)、方法借鑒先進(jìn)國(guó)家的研究成果，缺少實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)的搜集和整理，施工規(guī)范上過(guò)于依賴國(guó)外成熟經(jīng)驗(yàn)，缺少本土化的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和研究體系，研究方向主要集中碳纖維增強(qiáng)聚合物片材加固和修復(fù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，而且應(yīng)用也比較成熟。例如采用碳纖維增強(qiáng)聚合物片材對(duì)上海財(cái)經(jīng)大學(xué)24 m跨度的木結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，采用碳纖維布對(duì)天安門城樓上的大型木柱進(jìn)行加固[1]；等等。單麗萍《碳纖維布在建筑結(jié)構(gòu)加固中的施工措施淺析》（民營(yíng)科技2012.8）研究指出，碳纖維增強(qiáng)聚合物加固技術(shù)是一種新型高效的土木工程加固修復(fù)技術(shù)，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高強(qiáng)、施工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。并對(duì)碳纖維布在加固和維護(hù)建筑結(jié)構(gòu)中的施工措施進(jìn)行分析，之處隨著對(duì)新材料碳纖維 (CFRP)的研究的深入，用CFRP取代鋼板作為外貼對(duì)建筑物進(jìn)行加固是一種必然趨勢(shì)。并現(xiàn)針對(duì)碳纖維加固的原理、依據(jù)、前提進(jìn)行了探討，并對(duì)施工工藝進(jìn)行了簡(jiǎn)要的論述。張勇《CFRP加固混凝土梁的凍融試驗(yàn)研究》（河北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)2012.1），碳纖維(CFRP)雖然在加固工程中已得到廣泛應(yīng)用，但其長(zhǎng)期的加固性能尚未得到證實(shí)。尤其在我國(guó)北方較寒冷地區(qū)，因此研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)碳纖維加固的混凝土構(gòu)件的影響。試驗(yàn)研究顯示碳纖維基本能夠滿足寒冷地區(qū)的加固要求。舒亞《碼頭改造工程中碳纖維加固技術(shù)的運(yùn)用》（水利建設(shè)與管理2014.3）一文中研究指出：伴隨著材料研究的深入，混凝土結(jié)構(gòu)的加固技術(shù)也日益提高，結(jié)合工程實(shí)例，闡述在碼頭改造工程中如何將碳纖維加固技術(shù)運(yùn)用到水工結(jié)構(gòu)物的主要受力構(gòu)件，為碼頭水工結(jié)構(gòu)物的加固修復(fù)帶來(lái)新的舉措，保障了碼頭水工建筑物的安全。整體上來(lái)說(shuō)，碳纖維復(fù)合材料在土木工程中的使用研究目前基本集中在混凝土結(jié)構(gòu)的修復(fù)和加固上，相信隨著研究的深入，碳纖維加固技術(shù)在土木工程結(jié)構(gòu)的運(yùn)用日益廣泛。

1.3 最新研究進(jìn)展和趨勢(shì)

日本開(kāi)發(fā)研制成功一種帶有鋁合金接頭碳纖維聚合卷管。研究發(fā)現(xiàn)這種聚合卷管具有高效的結(jié)構(gòu)體系，在實(shí)際應(yīng)用中可以獲得特殊的建筑效果[1]。

也有學(xué)者提出利用碳纖維優(yōu)良的導(dǎo)電性，通過(guò)相應(yīng)手段監(jiān)測(cè)碳纖維復(fù)合材料加固部位導(dǎo)電性能的變化情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)土木建筑物或橋梁等的無(wú)創(chuàng)口健康監(jiān)測(cè)和診斷，而目前利用碳纖維優(yōu)良的導(dǎo)電性，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究不多，鄭立霞《局部疊層碳纖維水泥基材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)研究》（四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版) 2011.2）研究指出利用不同將碳纖維所具有的特有的導(dǎo)電特性，將不同碳纖維取代鋼筋加入普通混凝土中，普通混凝土便成為具有自診斷功能特性的智能混凝土。利用這些功能特性可望實(shí)現(xiàn)土木工程結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施的健康監(jiān)測(cè)。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究局部疊層碳纖維取代鋼筋形成的三點(diǎn)彎曲梁在單調(diào)和循環(huán)拉應(yīng)力作用下電阻的變化規(guī)律，分析了局部疊層碳纖維水泥基材料的應(yīng)變-電阻效應(yīng)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，?shí)驗(yàn)結(jié)果表明，局部疊層碳纖維水泥基材料的應(yīng)變靈敏系數(shù)是連續(xù)碳纖維水泥基材料應(yīng)變靈敏系數(shù)的近23倍，但穩(wěn)定性要差一些；局部疊層碳纖維水泥基材料的電阻和拉伸應(yīng)變成正比例，因此利用這一特性把可望把局部疊層碳纖維用于土木工程，便于實(shí)現(xiàn)在結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施的健康監(jiān)測(cè)。

2 碳纖維復(fù)合材料在構(gòu)件承載力不足的情況下的應(yīng)用

雖然在土木工程施工過(guò)程中在施工階段，從上到下有嚴(yán)格的施工規(guī)范和要求，但是實(shí)際過(guò)程中卻常常存在由于施工管理不嚴(yán)、施工人員能力缺陷、致使施工質(zhì)量不能達(dá)到要求，特別是混凝土構(gòu)件承載力不足導(dǎo)致在建工程或建成工程使用時(shí)在安全隱患，存在一定的潛在質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，可能導(dǎo)致傷害事故的發(fā)生，在這種情況下，如何在不拆除現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)的條件下對(duì)混凝土構(gòu)件進(jìn)行范圍內(nèi)的加固和修復(fù)是要解決的問(wèn)題，使用碳纖維復(fù)合材料為主要原料的纖維增強(qiáng)聚合布進(jìn)行加固，可以在不毀壞現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，使混凝土結(jié)構(gòu)得到理想的增補(bǔ)效果。加上纖維增強(qiáng)聚合布施工過(guò)程中無(wú)需任何重型機(jī)械，施工空間不受限制的優(yōu)點(diǎn)，因此在維護(hù)和加固現(xiàn)有建筑中得到大量應(yīng)用。

2.1 碳纖維復(fù)合材料在民用建筑加固方面的應(yīng)用

由于碳纖維增強(qiáng)聚合布的材料性能的特點(diǎn)，碳纖維增強(qiáng)聚合布大量應(yīng)用在民用建筑中，如梁、板、柱、頂、梁腹裂縫發(fā)展過(guò)大的構(gòu)件加固中。碳纖維增強(qiáng)聚合布加固可有效控制裂縫的發(fā)展。在使用碳纖維復(fù)合材料對(duì)不同部位進(jìn)行加固時(shí)，操作手段、方法有一定差異。目前通常使用碳纖維布對(duì)鋼筋混凝土裂縫等進(jìn)行加固時(shí)首先選取合適粘合劑，以免造成粘合不緊密，加固效果差，在此基礎(chǔ)上注意粘貼在混凝土裂縫處。在對(duì)鋼筋混凝土抗彎構(gòu)件進(jìn)行加固時(shí)，通常采用特殊粘合劑將碳纖維布粘貼于混凝土構(gòu)件強(qiáng)力受拉區(qū)，通過(guò)碳纖維布增加受拉區(qū)域強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)碳纖維布分擔(dān)工程結(jié)構(gòu)中混凝土鋼筋的承受拉力，提高混凝土構(gòu)件的抗彎承載力和受拉承載力。碳纖維復(fù)合材料加固損傷的受彎構(gòu)件時(shí)，結(jié)果表明，通過(guò)碳纖維布的加固，檢驗(yàn)結(jié)果顯示，加固部位剛度恢復(fù)非常顯著，加固部位強(qiáng)度和加固量、損傷程度具有一定關(guān)系，通過(guò)加固，兩者都有不同程度的改善提高。在工程中使用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行抗剪力加固時(shí)，一般要求將碳纖維復(fù)合材料粘貼于加固構(gòu)件的受剪力區(qū)，力求形成整體的拉力，促使碳纖維復(fù)合材料的作用類似于箍筋，從而形成一定的加固力量，有效控制混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。目前研究結(jié)果表明，理論上推算碳纖維復(fù)合材料的隨著外界條件變化應(yīng)變發(fā)展比較緩慢，在實(shí)踐中用于加固混凝土構(gòu)件時(shí)，碳纖維復(fù)合材料達(dá)到的最大應(yīng)變值比較小。在加固混凝土構(gòu)件屈服后，碳纖維復(fù)合材料逐漸取代混凝土構(gòu)件箍筋的作用逐，從而有效提高構(gòu)件抗剪承載力，碳纖維復(fù)合材料對(duì)工程質(zhì)量提高程度與加固方式、加固量、帶間距及粘貼層數(shù)密切相關(guān)。因此實(shí)踐中使用碳纖維復(fù)合材料對(duì)一定的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行維修和加固時(shí)，要區(qū)別對(duì)待，不同位置、強(qiáng)度的部件進(jìn)行加強(qiáng)所需粘貼量不同，過(guò)多過(guò)少都不利于加固效果的最優(yōu)化，如粘貼過(guò)量碳纖維增強(qiáng)聚合布，可能會(huì)導(dǎo)致不能充分的發(fā)揮碳纖維增強(qiáng)聚合布的優(yōu)勢(shì)。由于碳纖維增強(qiáng)聚合布的可設(shè)計(jì)性的優(yōu)勢(shì)它與所加固構(gòu)建之間粘貼比較緊密，可以在不改變現(xiàn)有建筑外觀形狀的基礎(chǔ)上進(jìn)行整體加固，因此在一些對(duì)整體構(gòu)件加固質(zhì)量要求比較高，碳纖維聚合布在得到大量應(yīng)用，如對(duì)歷史建筑的搶救、保護(hù)和維護(hù)和原有建筑，同時(shí)構(gòu)件的整體抗震性能得到提高。

2.2 橋梁建設(shè)加固方面碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用

由于碳纖維復(fù)合材料的使用特點(diǎn)，碳纖維增強(qiáng)聚合布可以應(yīng)用在橋梁加固方面。如磨損、裂縫、局部塌陷的橋面，可以在保持現(xiàn)有混凝土構(gòu)件的情況下，通過(guò)適當(dāng)修補(bǔ)后加貼碳纖維增強(qiáng)聚合布，從而提高橋面堅(jiān)固程度和增加使用壽命，如一般采用將碳纖維增強(qiáng)聚合布粘貼于橋面板下面，在提高橋面整體平整的基礎(chǔ)上可以增強(qiáng)橋面板的抗彎及抗剪能力，延長(zhǎng)橋梁使用壽命，目前碳纖維復(fù)合材料在橋梁建設(shè)方面的用途主要有兩類，現(xiàn)有橋梁的加固方面和新橋梁的建設(shè)使用。在橋梁加固方面碳纖維復(fù)合材料主要用于混凝土橋梁的基本構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)、裂縫受彎構(gòu)件、抗彎構(gòu)件等的加固，加固的目的主要是提高橋梁的面板、構(gòu)件的抗彎、受彎、抗剪、軸向抗壓承載力等，橋梁建設(shè)加固方面碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用在國(guó)外應(yīng)用廣泛，我國(guó)在這方面的工程實(shí)踐是在引進(jìn)吸收國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)橋梁工程和新材料發(fā)展?fàn)顩r，2003年7月對(duì)1971年建成的“寶成橋”進(jìn)行了加固維修。提高了大橋承載強(qiáng)度，同時(shí)對(duì)大橋基本構(gòu)件提供了抗裂防腐的保護(hù)作用[2-5]。但是碳纖維增強(qiáng)聚合布加固混凝土橋柱、橋梁時(shí)，應(yīng)注意原有混凝土構(gòu)件橫向膨脹性能促使外包碳纖維增強(qiáng)聚合布的局部環(huán)向剛度增大，導(dǎo)致混凝土原有構(gòu)件的脆性破壞，因此在應(yīng)用碳纖維增強(qiáng)聚合布維修橋梁加固混凝土柱時(shí)要注意完全粘貼整個(gè)構(gòu)件。

3 結(jié)論和建議

碳纖維復(fù)合材料是隨著纖維增強(qiáng)材料的研究而出現(xiàn)的一種新型建筑材料，我國(guó)對(duì)碳纖維復(fù)合材料的研究起步較晚，但是發(fā)展比較快，目前碳纖維復(fù)合材料大量使用在我國(guó)民用建筑和橋梁建設(shè)中，主要用于對(duì)現(xiàn)有建筑的加固，因?yàn)樘祭w維增強(qiáng)復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度大、設(shè)計(jì)性強(qiáng)的特點(diǎn)，因此被大量使用于可以應(yīng)用于砌體、混凝土結(jié)構(gòu)等的加固維護(hù)，取得了較好的效果。

［1］高娜.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在土木工程中的應(yīng)用[D]. 西安工業(yè)大學(xué)碩士論文, 2012-04.

［2］金春花. CFRP加固土木工程結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀及分析[J]. 科技信息2012(13)：30.

［3］單麗萍.碳纖維布在建筑結(jié)構(gòu)加固中的施工措施淺析[J].民營(yíng)科技,2012(8)：292.

［4］舒亞.碼頭改造工程中碳纖維加固技術(shù)的運(yùn)用[J].水利建設(shè)與管理,2014(3)：15-17.

［5］張亞坤.纖維增強(qiáng)塑料筋混凝土板的變形研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2013，30（9）：106-109;19(1)：66-72．

Application of Carbon Fiber Composites in Civil Engineering

GE Zi-li
（Henan Jinyuan Real Estate Co., Ltd., Henan Zhengzhou 450007，China）

The carbon fiber composite material is as an important part of fiber reinforced materials, it is effective for structure reinforcement, its construction quality and construction efficiency are high, the reinforcement effect and comprehensive benefit are good, and the carbon fiber composite material has the characteristics of light weight, high strength and strong designability. Therefore, research and exploration of the carbon fiber composite material has been the main focus in civil engineering.

Civil engineering; Carbon fiber; Composite materials; Using

TQ 327

A

1671-0460（2015）01-0117-03

2014-05-28

葛自力(1964-), 男, 河南鄭州人, 高級(jí)工程師, 1987年畢業(yè)于河北煤炭建筑工程學(xué)院, 研究方向：從事建筑工程管理、工程建設(shè)技術(shù)施工管理等工作。